iOS的KVO实现剖析

KVO原理

对于KVO的原理，很多人都比较清楚了。大概是这样子的：

假定我们自己的类是Object和它的对象 obj， 当obj发送addObserverForKeypath:keypath消息后，系统会做3件事情：

1. 动态创建一个Object的子类，名字可自定义假设叫做 Object_KVONotify。
2. 同时，子类动态增加方法 setKeypath:，动态添加的方法会绑定到一个c语言的函数。
3. 调用 object_setClass 函数，将obj的class设置为Object_KVONotify。

这样做会相当于建立如下结构:

//Object
@interface Object: NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *keypath;
@end

@implementation Object
-(void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change context:(void *)context{
    NSLog(@" --- Object observeValueForKeyPath:%@ ofObject:%@ change:%@ context:%@", keyPath, object, change, context);
}

-(NSString *) description{
    return [NSString stringWithFormat: @"This is %@ instance keypath = %@", self.class, self.keypath];
}
@end

//Object_KVONotify
@interface Object_KVONotify: Object
@end

static void dynamicSetKeyPath(id obj, SEL sel, id v){
    ... ...
}

@implementation Object_KVONotify
-(void) setKeypath:(NSString *)keypath{
    dynamicSetKeyPath(self, @selector(setKeyPath:), keypath);
}
@end

//obj
Object *obj = [[Object alloc] init];
object_setClass(obj, Object_KVONotify.class);

//上面2句其实相当于
Object_KVONotify *obj = [[Object_KVONotify alloc] init]

这样一来，当我们调用

obj.keypath = "hello world";

实际上调用的是

dynamicSetKeyPath(self, @selector(setKeypath:), keypath);

此时dynamicSetKeyPath要做2件事情。

1. 调用父类的 setKeyPath: 方法。
2. 调用 observeValueForKeyPath 方法，触发回调。

所以 dynamicSetKeyPath函数应该是这样的：

static void dynamicSetKeyPath(id obj, SEL sel, id v){
    Method superMethod = class_getInstanceMethod(Object.class, sel);
    ((void (*)(id, Method, id))method_invoke)(obj, superMethod, v);
    NSMutableDictionary * change = [[NSMutableDictionary alloc] init];
    change[@"new"] = v;
    [obj observeValueForKeyPath:@"keypath" ofObject:obj change:change context:nil];
}

或者这样

static void dynamicSetKeyPath(id obj, SEL sel, id v){
    object_setClass(obj, Object.class);
    [obj setValue: v forKey: @"keyPath"];
    object_setClass(obj, Object_Notify.class);
    [(Object *)obj observeValueForKeyPath: @"keypath" ofObject: objChange:@{@"new":v} context: nil];
}

在Object类中添加测试代码

+(void)test{
    Object *obj = [[Object alloc] init];
    obj.keypath = @"inited";
    NSLog(@"%@", obj);
    object_setClass(obj, Object_KVONotify.class);
    obj.keypath = @"hello world";
}

调用测试代码，产生输入如下

This is Object instance keypath = inited
Object observeValueForKeyPath:keypath ofObject:This is Object_KVONotify instance keypath = hello world change:{
    new = "hello world";
} context:(null)

上述过程就是KVO具体流程及测试代码。具体demo代码可以在这里找到。

KVO痛点

大家都知道，系统KVO略有点难用，主要因为这几点：

1. addObserver后，不会在对象释放时，自动释放，我们只能在dealloc中手动removeObserver。这样在疏忽的情况下忘记removeObserver可能会导致崩溃。另外，这个限制让我们无法在一个类中为其他类对象增加监听。
2. 如果没有addObserver是不能removeObserver的，会crash。
3. 不支持block。

重新实现KVO

要重新实现KVO，根据KVO原理，我们需要创建一个增加监听的函数，并在函数内做到:

1. 动态创建当前类的的子类，名字带固定后缀 _NotifyKVO。
2. 同时，子类动态增加方法 setXXXX:，动态添加的方法会绑定到一个c语言的函数。
3. 调用 object_setClass 函数，将obj的class设置为XXXX_NotifyKVO。

首先我们创建一个NSObject的分类，添加创建KVO方法。

@implementation NSObject(BlockKVO)
-(void) addObserverForKeyPath:(NSString *)keyPath option:(NSKeyValueObservingOptions)option block:((^)(id obj, NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *change))block{
    //self.blockKVO是通过associate与NSObject对象绑定的
    //这样我们就把所有逻辑转移到了BlockKVO这个类中
    [self.blockKVO addObserver:self forKeyPath:keyPath option:option block:block];
}

//这里覆盖了系统的KVO监听，里面仅仅调用了添加监听时的block
//这样做，可以让系统的KVO监听方法也能收到通过blockKVO添加的事件。
-(void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change context:(void *)context{
    BlockKVOItem *item = [self.blockKVO itemWithKeyPath:keyPath];
    if(item.block) {
        item.block(self, keyPath, change);
    }
}
@end

由于我们有很多参数和状态需要存储，而OC的category中保存属性是很麻烦的。
所以我们将创建一个新的类来处理所有的绑定逻辑，这就需要将所有参数及对象本身传递到这个类对象中。

请仔细阅读代码中的注释。

@implementation BlockKVO

//这里的参数obj就是需要kvo的对象，这个函数很重要，它做到了2件事
//1 为obj的class 创建一个以`_NotifyKVO`为后缀的子类
//2. 将obj的class指向XXX_NotifyKVO这个子类
//搞这么多幺蛾子的好处是实现了AOP，原有的类没有任何改变，obj仍然能访问原类的所有属性方法，而且obj可以通过扩展XXX_NotifyKVO方法，增加功能，也能修改原来类的行为，而不会影响原来类的结构。
-(void) initKVOClassWithObj:(id) obj{
    if(self.srcClass == nil){
        self.srcClass = [obj class];
        
        //添加子类
        NSString *dynamicClassName = [NSString stringWithFormat:@"%@_NotifyKVO", NSStringFromClass(self.srcClass)];
        Class dynamicClass = NSClassFromString(dynamicClassName);
        if(!dynamicClass) {
            dynamicClass = objc_allocateClassPair(self.srcClass, dynamicClassName.UTF8String, 0);
            objc_registerClassPair(dynamicClass);
        }
        self.dynamicClass = dynamicClass;
        
        //将obj的类换成新创建的子类，否则不会调到dynamicSetKeyPath
        object_setClass(obj, dynamicClass);
    }
}

//这个方法是从原类中接收参数的，它只做2件事：
//1. 收到参数后，保存到observers字典中。
//2. 根据keyPath，添加setter方法。
-(void) addObserver: (id) obj forKeyPath:(NSString *)keyPath option:(NSKeyValueObservingOptions)option block:(void (^)(id obj, NSString *keyPath, NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *change))block{
    [self initKVOClassWithObj:obj];
    
    if(self.observers == nil){
        self.observers = [[NSMutableDictionary alloc] init];
    }
    
    if(self.observers[keyPath] != nil){
        return;
    }
    
    //添加方法
    SEL methodSel = getSetSelector(keyPath);
    class_addMethod(self.dynamicClass, methodSel, (IMP)dynamicSetKeyPath, "v@:@");
    
    //保存
    BlockKVOItem *item = [[BlockKVOItem alloc] init];
    item.obj = obj;
    item.keyPath = keyPath;
    item.options = option;
    item.block = block;
    self.observers[keyPath] = item;
}

@end

我们会注意到class_addMethod方法，最后一个参数是一个奇怪的字符串。这个字符串是为了表示所添加方法的类型，包括返回值类型和所有参数类型。

这东西又叫做 TypeEncoding，为啥有这个东西呢？

我们知道，OC是动态语言，它发送消息是要通过SEL去查找函数的，一旦找到了函数我们再去调用它就不是动态调用了，而是静态调用。

静态调用参数的数量和类型就很重要了。参数数量和类型其中任意一个对不上都会导致程序出错。

对于class_addMethod函数来说，TypeEncoding可以为添加的方法标记出它的返回值类型，参数个数和每个参数的类型。

上面的 "v@:@"表示的是，所添加的函数指针，返回值为void，有3个参数，第一个参数是id，第二个参数是SEL，第三个参数是id。很简单。

OC类的property可以很多种类型，不仅仅是id。所以如果想为不同类型调用 class_addMethod，就要编写不同的TypeEncoding。

列一下常用的TypeEncoding：（更多细节查阅点这里TypeEncoding）

• "v@:q" => setKeyPath:(long long)
• "v@:c" => setKeyPath:(char)
• "v@:{CGSize=dd}" => setKeypPath:(CGSize)

通过上述代码，当我们的对象再调用setKeyPath:方法的时候，实际上调用的是dynamicSetKeyPath函数，我们看一下它的实现：

//这个函数的定义符合我们定义的typeencoding："v@:@"
static void dynamicSetKeyPath(id obj, SEL sel, id value){
    BlockKVO *blockKVO = [obj blockKVO];
    //这里肯定不会为空，习惯性防御写法
    if(blockKVO != nil) {
        //根据SEL获取keyPath
        NSString *keypath = getKeyPath(sel);
        //获取到注册KVO时传入的参数，包括block啥的。
        BlockKVOItem *item = [blockKVO itemWithKeyPath:keypath];
        //这里先将obj的class恢复，否则会陷入循环
        object_setClass(obj, blockKVO.srcClass);
        //获取旧值
        id oldValue = [obj valueForKey:keypath];
        //设置新值
        [obj setValue:value forKey: keypath];
        //设置成子类
        object_setClass(obj, blockKVO.dynamicClass);
        //将oldValue和newValue通过observerValueForKeyPath:ofObject:change:方法通知给调用方（调用了block）
        NSMutableDictionary * change = [[NSMutableDictionary alloc] init];
        if (item.options & NSKeyValueObservingOptionNew){
            change[@"old"] = oldValue;
        }
        if (item.options & NSKeyValueObservingOptionOld) {
            change[@"new"] = value;
        }
        [obj observeValueForKeyPath:keypath ofObject:obj change:change context:nil];
    }
}

这样，每次我们调用 setKeyPath: 的时候，前面注册的KVO监听的block都会被调用。
整个KVO流程就完成了。

当然，如果实现完整的KVO，上面的代码是不够的。你还需要解决如下问题：

1. 不同类型的属性支持
2. setValue:forKey:处理，weak变量可以通过这个函数处理。
3. 线程安全（如果你只在主线程使用，则不必要）
4. 动态创建类的释放
5. 其他可能出现的问题

文内提到的所有代码已提交到github上，点这里查看完整demo。

也可以点击这里查看我在github上的所有repos。